一種基于時間和溫度的鋰離子電池優(yōu)化充電方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于電池充電技術領域，具體設及一種基于時間和溫度的裡離子電池的優(yōu) 化充電方法。
【背景技術】
[0002] 目前，裡離子電池廣泛使用恒流恒壓（CC-CV)充電方法。首先，使用恒定的電流 (CC)對電池進行充電，當電池電壓達到充電截止電壓時，再進行恒壓充電（CV)，充電電流逐 漸減小，當電池充電電流減小到某一值時，充電結(jié)束。運種充電方法容易控制，在恒壓階段， 極化電壓和歐姆電壓降低，電池能夠充滿電，但是充電所需時間過長，且存在對電池壽命影 響不明確等問題，已經(jīng)成為限制電動汽車進一步推廣應用的技術瓶頸。
[0003] 裡離子電池優(yōu)化充電是一個研究的熱點問題，各種充電方法層出不窮，試圖達到 提高充電速度同時降低電池衰退速度的目標。各種優(yōu)化充電方法各有優(yōu)點和不足，基于電 流波形改進的方法直觀，便于控制，但是電流變化的依據(jù)不足;基于電池模型的優(yōu)化充電方 法能夠把電氣特性和電池反應機理聯(lián)系起來，但是模型參數(shù)的辨識更新是難點；基于電池 材料改進的充電方法在電池的經(jīng)濟性，穩(wěn)定性，安全性等方面有待進一步測試。
[0004] 結(jié)合裡離子電池的電化學反應機理和其電氣特性，優(yōu)化充電策略，是當前裡離子 電池優(yōu)化充電研究的發(fā)展動向。極化電壓是聯(lián)系電池內(nèi)部電化學反應與電池外部電氣特性 的橋梁。極化電壓過大將使電池充不滿電并導致電池內(nèi)部活性材料的損失進而影響電池壽 命。大電流充電將導致極化電壓過大，因此，極化電壓限制了裡離子電池的最大充電電流。 溫度是裡離子電池充電過程中需要考慮的重要因素，溫度過高，電池正極晶格結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性 變差，電池的安全性降低，容易引起電池熱失控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引為彌補現(xiàn)有裡離子電池充電方法無法兼顧充電速度和電池循環(huán)壽命的不足，本發(fā) 明結(jié)合裡離子電池電化學反應機理和外部電氣特性，W裡離子電池充電極化電壓限制的最 大充電電流為約束條件，W縮短充電時間和控制電池充電溫升為目標，構(gòu)造優(yōu)化充電目標 函數(shù)，通過遺傳算法尋找最優(yōu)充電電流，W兼顧縮短充電時間和降低充電溫升運兩個相互 矛盾的目標，在無損電池壽命的前提下提高充電速度。
[0006] 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是，一種裡離子電池優(yōu)化充電方法，包 含W下步驟：
[0007] 1)通過計算獲得基于極化電壓限制的最大充電電流，并W此最大電流作為優(yōu)化充 電電流選擇的邊界條件； 'OCK位OO + / X 穴。+ 恃的:=Km皆/
[000引 n'p(!) = k(SOC)x! + !) SOC = SOCn + ! XTjQ (1)
[0009] 式中：OCV為開路電壓，I為充電電流，Rfi為電池歐姆內(nèi)阻，Vp為電池極化電壓，K為 電池極化倍率系數(shù)，b為定義的極化補償系數(shù)，VsutDff為充電截止電壓，SOC: Stata of charge,指電池的荷電狀態(tài)，為當前電池剩余電量除W電池的容量，SOCo為電池充電起始的 S0C，T功充電時間，Q為電池容量；
[0010] 2) W縮短充電時間和控制電池充電溫升為目標，構(gòu)造優(yōu)化充電目標函數(shù)，兼顧縮 短充電時間和降低充電溫升運兩個相互矛盾的目標；
[0011] 3似ASOC為間隔劃分充電SOC區(qū)間(0-90 % )，共劃分為N步，每一步的充電電流分 別在極化電壓限制的最大充電電流約束下選取，每步電流各不相同，選取使目標函數(shù)取得 最優(yōu)值的N步電流組合為最優(yōu)充電電流；
[0012] 4)建立裡離子電池充電時間和充電溫升計算模型，計算W隨SOC階梯變化的充電 電流對電池充電所用時間和充電溫度變化，進而獲得目標函數(shù)值；
[0013] 5)采用遺傳算法，尋找最優(yōu)充電電流，在每步充電中電流可變范圍在最大電流與 最小電流之間，每步充電電流用相應不同位數(shù)的二進制數(shù)表示，二進制位數(shù)的大小保證分 辨率小于1A，遺傳算法迭代終止，輸出的結(jié)果即為最優(yōu)充電電流。
[0014] 進一步，步驟1)中所說的計算采用matlab迭代計算法，優(yōu)化充電電流在極化電壓 限制的最大充電電流范圍內(nèi)選取。在一確定SOC點，采用某一電流恒流充電，充電時間等于 此點的極化時間常數(shù)，在充電結(jié)束時，如果電池端電壓等于或大于充電截止電壓，則運個電 流即為此SOC點的極化電壓限制的最大充電電流;如果小于，則增大充電電流后重復上述步 驟。
[001引進一步，步驟2)中所說的優(yōu)化充電目標函數(shù)(2)包含充電時間和充電溫升;所述目 標函數(shù)采用歸一化線性打分制，W最大允許溫升A Tmax為60分，1/20C充電溫升A To.05C為 100分。W允許的最長充電時間Uax為60分，W極化電壓限制的最大充電電流對應的充電時 間Uin為100分，最長允許充電時間從是用戶角度定制的。最終目標函數(shù)為式(2)，采用線性 加權的形式，加權系數(shù)a為時間加權系數(shù)，代表充電時間的重要程度，加權系數(shù)0為溫升加權 系數(shù)，代表充電溫升的重要程度;所述目標函數(shù)為式
[0017]進一步，步驟3)中所說的W ASOC = 10%為間隔劃分充電SO姫間，優(yōu)化充電SOC區(qū) 間為0%-90%，所說的N步為9步，每一步的充電電流分別在極化電壓限制的最大充電電流 下選取，每步電流各不相同，選取使目標函數(shù)取得最優(yōu)值的9步電流組合為最優(yōu)充電電流。
[001引進一步，步驟2)中，所述充電時間為：
其中，Qk為每步充電的充電 容量，Ik為第k步的充電電流，所述充電溫升計算模型為：
[0019 ]其中，R為電池直流內(nèi)阻，h為電池表面與周圍環(huán)境間的對流傳熱系數(shù)，A為電池單 體與周圍環(huán)境接觸表面積，為賭系數(shù)，Tcell為電池溫度，Tamb為周圍環(huán)境溫度，m為電 池質(zhì)量，C為電池的平均比熱容，取表示第k步充電起始電池溫度，T讀示第k步充電過程中 電池溫度變化，第k步充電的電池初始溫度等于第k-1步充電結(jié)束時電池溫度，Ik為第K步的 充電電流，電池充電溫升為充電過程中的最大溫度減去初始溫度;根據(jù)計算出的充電時間 和充電溫升進一步計算優(yōu)化充電目標函數(shù)值。
[0020] 進一步，步驟5)中遺傳算法迭代100代后，終止迭代，輸出的結(jié)果即為最優(yōu)充電電 流。每一種充電電流組合方式對應一個目標函數(shù)分值，分值最高的就是最優(yōu)充電電流，每步 充電中電流可變范圍在極化電壓限制的最大充電電流與最小電流之間。
[0021] 本發(fā)明的有益效果是，W隨SO邱介梯變化的充電電流對裡離子電池進行充電，在充 電初期W大電流充電，提高充電速度，在充電末期用小電流充電，W降低充電末期極化，從 而充入更多容量，同時末期小電流充電可W減小溫升速度，從而限制電池充電溫升，防止 電池熱失控，提高電池壽命和充電安全性。不同SOC區(qū)間的充電溫升速率不同，在溫升速率 小的區(qū)間提高充電電流，在溫升速率大的區(qū)間降低充電電流，從而實現(xiàn)全程充電時間和充 電溫升的平衡。
【附圖說明】
[0022] 圖1是綜合考慮充電時間和充電溫升的優(yōu)化充電方法策略流程圖。
[0023] 圖2是極化電壓限制的最大充電電流曲線和充電步數(shù)劃分示意圖。
[0024] 圖3是綜合考慮充電時間和充電溫升的最優(yōu)充電電流電壓曲線。
【具體實施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0026] A、采用matlab迭代計算方法獲得極化電壓限制的最大充電電流:在某一SOC點，先 設置充電電流初始值為1A，充電時間為極化時間常數(shù)T，計算充電結(jié)束時的電池端電壓，判 斷是否等于充電截止電壓。如果等于或大于，則此電流即為最大充電電流;如果小于，則增 大充電電流后重復上述步驟。在5 % SOC到95 % SOC，每隔1 % SOC，計算一次最大充電電流，即 可得到最大充電電流曲線。
[002引式中：OCV為開路電壓，I為充電電流，Rn為電池歐姆內(nèi)阻，Vp為電池極化電壓，K